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UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
EVALUACIÓN DE METALES
PESADOS EN SUELOS REGADOS
CON AGUA PROVENIENTE DE
UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Tutor:
Arnaldo Armado
Autor:
Willian Blanco
Bárbula, 2011
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON
AGUA PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Trabajo Especial de Grado para optar al Título de Licenciado en Química
Tutor:
Armado, Arnaldo
Autor:
Willian Blanco
Bárbula, 2011
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EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
DEDICATORIA
A la memoria de Francisco Socorro y Carmen Bello de Socorro, quienes cuidaron de
mí, el autor de este trabajo, a partir de los dos meses de edad, que con sus regaños y
consejos ayudaron a forjar la personalidad y actitud que me caracterizan; y que su
presencia sigue en mis pensamientos y corazón, esperando que donde quiera que se
encuentren, estén orgullosos de la persona y profesional que ayudaron a formar.
A toda la comunidad científica, esperando que el presente trabajo sirva de
referencia y ayuda para futuras investigaciones en el campo de la ciencia de los
suelos, la química analítica y estadística aplicada a la química; y a su vez, sirva de
ánimo para la continua lucha a favor de la inversión por parte de entes
gubernamentales y privados a los proyectos de investigación que satisfagan las
necesidades de la sociedad.
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EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
AGRADECIMIENTOS
Al Consejo de Desarrollo Científico y Humanístico (CDCH) por brindar los recursos
necesarios para la ejecución de la fase experimental de este trabajo.
A mis padres Ana Francisca Gutiérrez y Williams Antonio Blanco, por sus
consejos, presencia y apoyo durante mi formación académica y ejecución del trabajo.
Al laboratorio de Bioquímica de Suelos, ubicado en la Facultad de Ciencias y
Tecnología (FACyT). De igual manera a la técnico del laboratorio, Sikleg Noguera,
por sus consejos, ciertos regaños y ayuda ofrecida en la fase experimental y cálculos.
También a mis compañeros de laboratorio, Rosa Sanz, Desire, Diana Lizcano,
quienes colaboraron en la preparación de soluciones y realización de las respectivas
titulaciones complejométricas que se realizaron en la fase experimental de este
trabajo. A mi tutor, Arnaldo Armado, por sus rápidas correcciones y ayuda a lo largo
de la realización de toda el TEG.
A los técnicos de laboratorios vecinos, Beatriz, Lesbia, Dioleidys, Barik; por
ofrecer sus laboratorios y equipos, en especial a Beatriz, quien puso a mi disposición
los frascos donde se recolectaron los filtrados de las digestiones. Al técnico del
laboratorio de Análisis Instrumental, Victor Pérez, por sus enseñanzas en cuanto al
manejo del equipo de absorción atómica se refiere y paciencia mostrada al esperar mí
salida del laboratorio.
A Jonathan Yépes y Milagros Méndez, que con su ayuda pude conseguir
muchas de las referencias citadas en este trabajo. También por las ideas sugeridas y
aplicadas al momento de la redacción. A mis amigos por acompañarme durante toda
la carrera, por estar siempre presentes y brindarme el apoyo necesario, además de los
momentos de alegría y reuniones que sin motivo alguno, siempre terminaban en su
respectiva partida de dominó o caída.
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EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
Autor: Blanco, Willian
Tutor: Armado, Arnaldo
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN UN SUELO REGADO CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
ASSESMENT OF HEAVY METALS IN A SOIL IRRIGATED WITH POSTTREATED WASTEWATERS COMING FROM A TREATMENT WATER PLANT
Resumen
Se aplicó un modelo de diseño de experimento tipo multinivel factorial 2x3, con los factores
profundidad y distancia para estudiar la distribución espacial de los metales pesados Cu, Cr,
Cd, Co, Ni, Pb y Zn por espectroscopia de absorción atómica en un suelo aledaño a una
planta de tratamiento de aguas residuales de una empresa de químicos para la construcción.
Concentraciones de Cr, Cd, Co y Ni estuvieron por debajo del LOD de cada metal. El modelo
presentó un R2> 96% para los metales Cu, Zn y Pb. El factor profundidad influye
negativamente en las concentraciones de los metales. Los metales Cu, Cr, Cd, Co, Ni y Zn se
encuentran por debajo de los límites establecidos por la Gaceta Oficial Extraordinaria Nº
5245 de la República Bolivariana de Venezuela y el Real Decreto de España Nº 9, mientras
que el plomo supera ambas normativas. Los metales pueden provenir de fuentes
antropogénicas como riego, relleno aplicado en el suelo y la combustión de camiones.
Summary
An experiment design model was applied to study heavy metals distribution Cu, Cr, Cd, Co,
Ni, Pb y Zn by atomic absorption spectroscopy in a soil next to a wastewater treatment plant.
Cr, Cd, Co & Ni concentrations were below LOD of each metal. The model presented a R2>
96% for metals Cu, Zn & Pb. The profundity affected negatively the metal concentrations.
Cu, Cr, Cd, Co, Ni & Zn concentrations were below limits of Venezuela’s Extraordinary
Gazette Nº 5245 and Spain’s Royal Decree Nº 9, while lead concentrations were over these
two laws. The metals could come from anthropogenic sources like irrigation, filling up and
truck combustion.
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EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Contenido
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 9
CAPITULO I ............................................................................................................................ 11
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA .................................................................................. 11
1.1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .............................................................. 11
1.2
JUSTIFICACIÓN .................................................................................................. 12
1.3
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN.............................................................. 14
1.3.1
GENERAL .................................................................................................... 14
1.3.2
ESPECÍFICOS .............................................................................................. 14
CAPITULO II ........................................................................................................................... 15
2
MARCO TEÓRICO ........................................................................................................... 15
2.1
ANTECEDENTES ................................................................................................ 15
2.2
BASES TEÓRICAS .............................................................................................. 17
2.2.1
Propiedades Físicas del Suelo ........................................................................ 18
2.2.2
Propiedades Químicas del Suelo .................................................................... 22
2.2.3
Contaminación por metales pesados .............................................................. 26
2.2.4
Diseño de Experimento.................................................................................. 30
CAPITULO III .......................................................................................................................... 33
3
MARCO METODOLÓGICO .............................................................................................. 33
3.1
MÉTODO DE EJECUCIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ..................................... 33
3.1.1
Ubicación ...................................................................................................... 33
3.1.2
Aplicación del Diseño de experimento .......................................................... 34
3.1.3
Muestreo y tratamiento de las muestras de suelos ......................................... 35
3.1.4
Caracterización de las muestras ..................................................................... 37
3.1.5
Determinación de Metales Totales ................................................................. 38
3.1.6
Análisis Estadístico de Resultados................................................................. 40
CAPITULO IV .......................................................................................................................... 41
4
RESULTADOS ............................................................................................................. 41
4.1
CARACTERIZACIÓN DE LAS MUESTRAS ..................................................... 41
5
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
4.2
Bárbula,
2011
DETERMINACIÓN DE METALES PESADOS .................................................. 44
4.3
CORRELACIÓN DE LOS METALES PESADOS CON LOS PARÁMETROS
FISICOQUÍMICOS .......................................................................................................... 53
4.4
DETERMINACIÓN DE LA TOXICIDAD DE LAS MUESTRAS DE SUELOS
ESTUDIADOS SEGÚN SU CONTENIDO DE METALES ............................................ 57
CAPITULO V ........................................................................................................................... 60
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................... 60
CONCLUSIONES ............................................................................................................ 60
RECOMENDACIONES ................................................................................................... 62
ANEXOS ................................................................................................................................. 63
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................ 65
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 2.1 COMPOSICIÓN FÍSICA IDEAL DEL SUELO ..................................18
FIGURA 2.2 MEDIO FÍSICO IDEAL DEL SUELO .................................................18
FIGURA 2.3 LAS PROPIEDADES FÍSICAS DEL SUELO Y SUS PRINCIPALES
INTERRELACIONES .........................................................................................19
FIGURA 2.4 TRIÁNGULO TEXTURAL DE LA USDA .........................................20
FIGURA 2.5 DINÁMICA DE METALES PESADOS EN EL SISTEMA SUELOPLANTA ..............................................................................................................27
FIGURA 2.6 DIFERENTES PATRONES DE RECORRIDO PARA RECOGER
SUB-MUESTRAS EN ÁREAS HOMOGÉNEAS ..............................................29
FIGURA 2.7 OBTENCIÓN DE LA MUESTRA COMPUESTA POR CUARTEO A
PARTIR DE TODAS LAS SUB-MUESTRAS DESMENUZADAS Y
MEZCLADAS .....................................................................................................30
FIGURA 3.1 FOTO SATELITAL DE LA EMPRESA DE QUÍMICOS PARA LA
CONSTRUCCIÓN ...............................................................................................33
FIGURA 3.2 ZONA DE APLICACIÓN DEL ESTUDIO DE SUELOS ...................34
6
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
FIGURA 3.3 DISEÑO DE MUESTREO APLICADO ..............................................37
FIGURA 3.4 BLOQUE DIGESTOR MARCA VELP SCIENTIFICA DK6 CON
RAMPA DE CALENTAMIENTO ......................................................................39
FIGURA 4.1 IDENTIFICACIÓN DEL MUESTREO ................................................42
FIGURA 4.2 GRÁFICO DE PARETO ESTANDARIZADO PARA CU ..................48
FIGURA 4.3 GRÁFICO DE INTERACCIONES DE CU ..........................................48
FIGURA 4.4 SUPERFICIE RESPUESTA. DISTRIBUCIÓN DE CU EN EL SUELO
..............................................................................................................................49
FIGURA 4.5 GRÁFICO DE PARETO ESTANDARIZADO PARA ZN ..................50
FIGURA 4.6 GRÁFICO DE INTERACCIÓN PARA ZN .........................................50
FIGURA 4.7 SUPERFICIE RESPUESTA. DISTRIBUCIÓN DE ZN EN EL SUELO
..............................................................................................................................51
FIGURA 4.8 GRÁFICO DE PARETO PARA PB .....................................................52
FIGURA 4.9 GRÁFICO DE INTERACCIÓN PARA PB ..........................................52
FIGURA 4.10 SUPERFICIE RESPUESTA. DISTRIBUCIÓN DE PB EN EL
SUELO .................................................................................................................53
FIGURA 4.11 GRÁFICO DE MODELO AJUSTADO METAL-CE ........................55
FIGURA 4.12 GRÁFICO DEL MODELO AJUSTADO METAL-CIC ....................57
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 2.1 RANGO DE VARIACIÓN DE LOS CONTENIDOS DE ARENA,
LIMO Y ARCILLA EN LAS DIFERENTES CLASES TEXTURALES DE
SUELOS ...............................................................................................................23
TABLA 2.2 FORMA GENERAL DE LA TABLA DE ANOVA ..............................32
TABLA 3.1 RESUMEN DEL MODELO DE DISEÑO DE EXPERIMENTO
APLICADO ..........................................................................................................35
TABLA 3.2 CANTIDAD DE EXPERIMENTOS REALIZADOS ............................36
7
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
TABLA 3.3 RESUMEN DE METODOLOGÍAS APLICADAS PARA LA
CARACTERIZACIÓN DE LOS SUELOS .........................................................38
TABLA 4.1 IDENTIFICACIÓN DE LAS MUESTRAS ...........................................41
TABLA 4.2 CARACTERIZACIÓN DE LAS MUESTRAS ......................................43
TABLA 4.3 INTERVALO DE CONCENTRACIÓN DE TRABAJO DEL EQUIPO
PARA CADA METAL Y LÍMITE DE DETECCIÓN MÍNIMO CALCULADO
..............................................................................................................................45
TABLA 4.4 CONTENIDO DE METALES TOTALES EN LAS MUESTRAS DE
SUELO DE LA EMPRESA DE QUÍMICOS PARA LA CONSTRUCCIÓN ....46
TABLA 4.5 ANÁLISIS DE REGRESIÓN LINEAL PARA DESCRIBIR LA
RELACIÓN METAL-PH A UN INTERVALO DE CONFIANZA DEL 90% ..54
TABLA 4.6 ANÁLISIS DE REGRESIÓN LINEAL PARA DESCRIBIR LA
RELACIÓN METAL-CE A UN INTERVALO DE CONFIANZA DEL 90% ..54
TABLA 4.7 ANÁLISIS DE REGRESIÓN LINEAL PARA DESCRIBIR LA
RELACIÓN METAL-CARBONO ORGÁNICO TOTAL A UN INTERVALO
DE CONFIANZA DEL 90% ...............................................................................56
TABLA 4.8 ANÁLISIS DE REGRESIÓN LINEAL PARA DESCRIBIR LA
RELACIÓN METAL-CIC ...................................................................................56
TABLA 4.9 CONCENTRACIÓN MEDIA DE METALES PESADOS Y VALORES
PERMISIBLES POR LA GACETA OFICIAL DEL 3 DE ENERO DE 1998 DE
LA REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA Y EL REAL DECRETO
DE ESPAÑA Nº 9 ................................................................................................59
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EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
INTRODUCCIÓN
El hombre desde sus inicios ha aprovechado los recursos que le brinda la naturaleza
para satisfacer sus necesidades, pero a veces, el satisfacer sus propias necesidades y la
búsqueda del mejoramiento de su calidad de vida, lo ha llevado a realizar una serie de
actividades que terminan perjudicando de forma notoria al ambiente.
Todos los componentes de la biosfera han sido afectados con una variedad de
contaminantes inorgánicos y orgánicos debido a fuentes antropogénicas que han
alterado los ciclos bioquímicos naturales (D'Souza et. al, 2010). El suelo es una
mezcla trifásica compleja la cual está compuesta de materia orgánica y minerales. La
materia mineral tiene componentes inorgánicos tales como amonio, calcio, magnesio,
sodio, potasio, hierro, sulfatos, cloruros, entre otros; metales pesados tales como
cadmio, cromo, cobre, plomo, níquel, zinc, mercurio, siendo estas últimas las de
mayor impacto para los suelos, ya que a altas concentraciones, pueden afectar la salud
del hombre y animales (Di Iaconi et. al, 2006; Henderson et. al, 1998).
Los metales pesados pueden derivar de fuentes naturales y de las actividades
industriales ejecutadas por el hombre tales como minería, fundición, electroquímica,
producción de energía y combustible, además de las emisiones de gas provenientes de
autos, fábricas; áreas urbanas, explotación extensiva de la agricultura, derramamiento
de fluidos y operaciones militares (Fitamo & Leta, 2010; Nedelkoska & Doran, 2000;
Yay et. al, 2008).
Los metales pesados tienen la cualidad de permanecer durante largos períodos
de tiempo en los suelos, transfiriéndose a la flora y microorganismos que en este
habitan, lo que ocasiona un riesgo potencial de salud, ya que pueden entrar en la
cadena alimenticia y al ambiente afectando así animales y el hombre (Di Iaconi et. al,
2006; Jagtap et. al, 2010).
9
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
A nivel mundial se han creado organismos internacionales que velan por el
cuidado del medio ambiente tales como The World Conservation Union, Programa de
las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) y World Wildlife Fundation.
De igual forma, en países como Venezuela existen organismos gubernamentales tales
como el Instituto Nacional de Parques (INPARQUES), Instituto para la Conservación
del Lago de Maracaibo y el Ministerio del Ambiente y de los Recursos Naturales.
También existen decretos aplicados a nivel nacional como lo son el Decreto 2635 y el
Decreto 3219, que establecen un mecanismo que orienta a la gestión de los
generadores de desechos sólidos y garantizan la protección de las cuencas
hidrográficas, clasificación y regulación de la calidad de los cuerpos de agua (Gaceta
Oficial Nº 5305, 1999; Gaceta Oficial Extraordinaria Nº 5245, 1998).
Determinar la concentración de metales pesados presentes en el suelo es un
indicador factible de contaminación, por lo que se aplicará en el siguiente proyecto de
investigación para estudiar un área de suelo en la cual se llevó a cabo el riego con
aguas provenientes de una planta de tratamiento de aguas residuales en el año 2005,
con el fin de determinar si hubo o no contaminación por metales pesados sobre el
suelo.
10
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
CAPITULO I
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
1.1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Los metales pesados (así considerados por tener una densidad mayor a 5 g por cm 3)
son peligrosos para la salud de personas, animales y plantas (García & Dorronsoro,
s.f). La contaminación por metales pesados esta principalmente asociada a fuentes
antropogénicas, que incluyen actividades tales como minería, fundición y otras
actividades (Krishna & Govil, 2005; Wang & Qui, 2005). Los metales pesados
pueden afectar los ciclos bioquímicos y acumularse en microorganismos vivos;
además, tienen la habilidad de persistir en los suelos durante largos períodos de
tiempo debido a que no sufren biodegradación (Batjargal et. al, 2010).
En el año 2005, una empresa de químicos para la construcción llevó a cabo la
utilización de las aguas provenientes del tratamiento como aguas de riego en un área
de suelo que se encuentra aledaña a la planta de tratamiento de aguas, esto de acuerdo
con el artículo 30 del Decreto 2635, el cual establece que un desecho peligroso
líquido previamente tratado puede ser utilizado como riego siempre y cuando el suelo
no sea para fines agrícolas (Gaceta Oficial Extraordinaria Nº 5245, 1998). Esta
actividad fue detenida inmediatamente por parte del Ministerio del Ambiente para
evitar la acumulación de contaminantes en el área regada.
Las aguas pos-tratamiento de dicha empresa se han caracterizado por tener un
pH comprendido entre 6-8 unidades de pH y concentraciones de metales por debajo
de lo establecido en la Gaceta Oficial Nº 5305 (Anónimo, 2005).
11
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Hoy en día se realizó un estudio de metales pesados presentes en el área de
suelo regada y zonas aledañas, para estudiar la presencia de metales pesados en el
suelo.
Por ello se planteó un estudio de la distribución de los metales pesados a lo
largo del suelo aplicando un diseño de experimento tipo multinivel factorial que
permita la caracterización del suelo estudiando los valores de pH, humedad,
conductividad eléctrica (CE), capacidad de intercambio catiónico (CIC), textura y
porcentaje de carbono total, además de las concentraciones de metales como cadmio
(Cd), cinc (Zn), cobalto (Co), cobre (Cu), cromo (Cr), níquel (Ni) y plomo (Pb) por
medio de la espectroscopia de absorción atómica a la llama.
1.2
JUSTIFICACIÓN
Un desecho es todo aquel material, sustancia, solución, mezcla u objeto del cual no se
prevé un destino inmediato o permanente; y es considerado peligroso si en cualquiera
de sus estados (sólido, líquido o gaseoso) presenta características peligrosas, y por lo
tanto no puede ser regenerado, reutilizado o reciclado (Gaceta Oficial Extraordinaria
Nº 5245, 1998).
En la empresa de químicos para la construcción, utilizan agua para el lavado
de los tanques de producción de masillas y aditivos. Estas aguas poseen cualidades
fisicoquímicas que exceden los parámetros establecidos por la ley en el Decreto 2635
Anexo C, por lo que se considera un desecho peligroso para el medio ambiente.
Debido a esto, la empresa lleva a cabo actividades de tratamiento de aguas
para reducir los contaminantes en sus aguas de lavado, y además ajustarlas para una
adecuada descarga a aguas residuales y evitar un impacto negativo sobre el medio
ambiente.
12
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
La determinación de la concentración de los metales pesados en suelos es un
parámetro útil para indicar y/o determinar el grado de contaminación de los suelos
(Hoodaji et. al, 2010). Por esta razón, se evaluará la cantidad de metales presentes en
el área de suelo regado en el año 2005 por las aguas provenientes de la planta de
tratamiento de aguas, y áreas de suelo aledañas para aplicar un diseño experimental
tipo multinivel factorial y comprobar, comparando las concentraciones de metales
con los valores establecidos por la ley en la Gaceta Oficial Extraordinaria Nº 5245 y
el Real Decreto de España Nº 9, si el área en cuestión se encuentra o no contaminada
por metales pesados y como pudo afectar la actividad de riego a las áreas de suelo
cercanas.
13
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
1.3 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.3.1
GENERAL
Evaluar metales pesados en suelos que fueron regados con agua proveniente
de la planta de tratamiento de aguas residuales de la empresa de químicos para
la construcción con el fin de determinar si hubo contaminación por metales
pesados
1.3.2
ESPECÍFICOS
•
Determinar algunos parámetros fisicoquímicos de las muestras de suelos de la
empresa de químicos para la construcción, tales como pH, humedad,
conductividad eléctrica (CE), capacidad de intercambio catiónico (CIC),
textura, bases intercambiables y porcentaje de carbono total para relacionarlos
con el contenido de metales pesados.
•
Cuantificar el contenido de metales cadmio (Cd), cinc (Zn), cobalto (Co),
cobre (Cu), cromo (Cr), níquel (Ni) y plomo (Pb) por medio de la
espectroscopia de absorción atómica a la llama de las muestras de suelos de la
empresa de químicos para la construcción.
•
Analizar el modelo de diseño de experimento tipo multinivel factorial 2x3
para estudiar la distribución espacial de los metales pesados en el suelo de la
empresa de químicos para la construcción.
•
Comparar los valores de las medias de las concentraciones de los metales con
lo establecido en la Gaceta Oficial Extraordinaria Nº 5245 y el Real Decreto
de España Nº 9.
14
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
CAPITULO II
2 MARCO TEÓRICO
2.1 ANTECEDENTES
Noguera y Armado (2010). “Evaluación de
metales en suelos
contaminados por derrames de crudo en Yaracal, estado Falcón, Venezuela”.
Se evaluaron los contenidos de los metales pesados Mn, Cd, Cr, Cu, Ni, Co, Zn, Fe y
Mo en suelos impactados con petróleo, provenientes de Yaracal, Edo Falcón. Las
muestras fueron sometidas a digestión ácida para determinar las concentraciones de
los metales mediante espectrofotometría de absorción atómica de llama. La materia
orgánica extraíble por solvente se cuantificó mediante una extracción Soxhlet, para
obtener los porcentajes de hidrocarburos totales del petróleo (HTPs). Los contenidos
de Cr, Co, Fe y Ni se correlacionaron con los contenidos de HTPs. En los suelos
impactados con petróleo se detectaron valores de cadmio, níquel y cromo superiores a
los permisibles según Gaceta Oficial venezolana Nº 5245.
Esta publicación y el presente proyecto tienen por objetivo la evaluación de
metales pesados en suelos que fueron impactados por actividades humanas, la
diferencia radica en la aplicación de un diseño de experimento para estudiar la
distribución de los metales pesados en el suelo, y al igual que lo expuesto en el
párrafo anterior, se realizó una comparación de las concentraciones de los metales
con los publicados en la Gaceta Oficial venezolana Nº 5245.
15
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Llovera, G. (2009). “Análisis de metales en muestra real”. Hidrolab Toro
Consultores C.A.
Este fue un estudio realizado a una muestras de suelos recolectadas de un área donde
yacía el vertedero de la empresa de químicos para la construcción donde se evaluaron
el contenido de metales tales como Ba, Cd, Cu, Cr, Pb, Ni, V y Zn en ppm (partes por
millón), y compararlos con lo establecido en el artículo 5 Anexo C y al Test de
lixiviación de acuerdo al Anexo D del Decreto 2635.
En este, se presenta una tabla con los valores obtenidos de los metales
estudiados en las muestras de suelos, límite reglamentado por el Decreto 2635, Anexo
C y los métodos de ensayos aplicados para la determinación de los metales. Con este
informe se pudo concluir que en Venezuela no existe una Norma Técnica Ambiental
para la caracterización de los suelos, por lo tanto, en la interpretación de los
resultados, se usa como referencia los valores obtenidos en el blanco del suelo.
Es por ello que en la presente investigación, se tomaron muestras de suelos
que no fueron regadas por las aguas tratadas provenientes de la planta de tratamiento
como patrones, y a su vez utilizarlas como parámetro en la aplicación del diseño de
experimento tipo multinivel factorial. Además, ayudó a seleccionar los metales a
evaluar ya que fueron los de interés para la empresa-
Anónimo (2005). “Resultado de Análisis. Efluente tipo Industrial”.
Laboratorio Toxicológico del Ambiente (LABTA).
La empresa de químicos para la construcción llevó a cabo un estudio de las aguas
provenientes de los lavados de los distintos tanques de masillas y aditivos del año
16
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
2005, que mediante un sistema de tuberías llegan hasta la planta de tratamiento de
aguas de la empresa. Este informe, muestra una tabla con los valores obtenidos del
estudio de las aguas antes y después del tratamiento utilizando la metodología
establecida en Standard Methods 20th Edition.
Este informe caracteriza las aguas previas al tratamiento y posterior al mismo,
lo que concluye que el tratamiento de las aguas procedentes del lavado de los tanques
de masillas y aditivos resultó efectivo al reducir los parámetros hasta valores
permisibles por la Gaceta 5305, logrando reducir los valores de toxicidad e impacto
ambiental de las mismas.
La tabla presentada en el informe (Anexo 6.1y Anexo 6.2) sirve para ver la
composición de las aguas del año 2005 con la que fue regada el área de suelo que se
estudió, permitiendo así tener un conocimiento previo de los posibles metales
presentes y a su vez, confirmó la selección de los metales de interés para el proyecto
de investigación.
2.2
BASES TEÓRICAS
Jaramillo (2002) en su libro define el suelo, tras una recopilación de definiciones
como:
“el suelo no es simplemente el material producido por la meteorización que se
ha acumulado en la superficie terrestre, es decir, el suelo no es producto de la
meteorización”
El suelo es un sistema trifásico compuesto por materia orgánica y minerales
(sólidos), agua y aire, estas fases al encontrarse en equilibrio establecen las
propiedades físicas adecuadas para un suelo fértil (Jaramillo, 2002).
17
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
2.2.1
Bárbula,
2011
Propiedades Físicas del Suelo
La proporción ideal de las fases para crear un medio fértil se encuentra establecida en
la Figura 2.1.
Figura 2.1 Composición física ideal del suelo
(Fuente: Jaramillo. 2002)
Además de una buena composición volumétrica de las fases, estas deben tener
una distribución equilibrada en el espacio tal como se ve en la Figura 2.2. Esta
distribución puede presentarse naturalmente o alterarse mediante laboreo,
cualesquiera sean los casos, la calidad del suelo dependerá de las propiedades físicas
del suelo y la interacción entre estas (Figura 2.3) (Jaramillo, 2002).
Figura 2.2 Medio físico ideal del suelo
(Fuente: Jaramillo. 2002)
18
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Figura 2.3 Las propiedades físicas del suelo y sus principales interrelaciones
(Fuente: Jaramillo. 2002)
2.2.1.1 Textura
La textura del suelo es un término que comúnmente se utiliza para designar la
distribución de los diferentes separados en el suelo que no incluyen la materia
orgánica. Brown, (2003) comenta, que los separados se dividen por sus tamaños
según la USDA (United States Deparment of Agriculture) en: arcilla (clay), limo (silt)
y arena (sand). Las partículas de mayor tamaño son las de la arena (2-0.05 mm de
diámetro), seguida del limo (0.05-0.002 mm de diámetro) y por último la arcilla la
19
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
cual presenta el menor diámetro de tamaño de partículas (menor a 0.002 mm)
(Brown, 2003).
Hay doce (12) clases generales de textura de suelos. Sus composiciones están
definidas por la USDA en el triángulo textural (Figura 2.4).
Figura 2.4 Triángulo textural de la USDA
(Fuente: García Pérez, 2009).
2.2.1.1.1 Determinación de la textura del suelo en la práctica
En la práctica, el porcentaje de partículas de arena, limo y arcilla son determinados
por el tacto. La muestra de suelo es frotada entre los dedos índice, medio y pulgar; y
un estimado de la cantidad de separados presentes está basado en las propiedades
características de cada clase textural de suelo. Este procedimiento requiere de mucha
habilidad y experiencia en el campo, aunque se puede precisar la clasificación
20
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
comparando con patrones de clases de textura de suelos o mediante análisis de
laboratorio de las muestras (Brown, 2003).
Muestras de suelo secos son diferentes a la mayoría de los suelos, debido a
que la falta de humedad en las muestras puede generar la formación de aglomerados
grandes, dificultando así la percepción. Las principales clases texturales, son:
arenoso, franco arenoso, arenoso franco, franco, arcilloso franco, limoso, limoso
franco, limoso arcilloso franco, limoso arcilloso, arenoso arcilloso y arcilloso. Los
rangos de variación de los separados correspondientes a cada clase textural se
encuentran resumidos en la Tabla 2.1.
La textura es una de las más importantes características del suelo. Influye en
muchas otras propiedades de gran importancia para el cultivo y mantenimiento.
Generalmente, los suelos arenosos tienden a ser bajos en cuanto a contenido
de materia orgánica se refiere, poca capacidad de retención de nutrientes, bajo en
Intercambio Catiónico y mantenimiento del pH. Los suelos arenosos tienen altas
densidades lo que le confiere cualidades ideales para la aplicación en construcciones.
Así como el porcentaje de limo y/o arcilla sea mayor, las propiedades de los
suelos aumentan significativamente. Los suelos con una textura fina son
generalmente más fértiles, contienen más materia orgánica, tienen alto Intercambio
Catiónico y mantenimiento del pH, son buenos reteniendo humedad y nutrientes,
además de tener la menor pérdida de aire y agua. Cuando los suelos son tan finos
como para ser clasificados como Arcillosos, presentan ciertas propiedades que lo
hacen difícil para el mantenimiento. Así como son pegajosos al ser mojados y muy
duros cuando se secan para cultivar. También tienen características de contracción y
expansión que no son factibles para la aplicación en construcciones (Brown, 2003).
21
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
2.2.1.2
Bárbula,
2011
Humedad del Suelo
La cantidad de agua en el suelo es una cualidad que va de la mano con la textura del
suelo, su contenido de materia orgánica, la composición de la fracción mineral y
orgánica, el arreglo que presente el medio, ya sea por un aporte natural (las lluvias) o
artificial (el riego); y el consumo causado por la evapotranspiración (Brown, 2003).
El agua en el suelo no se encuentra libre, sino que se haya adherida a las
partículas sólidas que se encuentran en la composición del suelo; solo se encontrará el
agua libre si el suelo se encuentra saturado. La permanencia del agua en el suelo se
debe a factores tales como: la fuerza de gravedad que impulsa el agua hacia abajo,
además de los sedimentos y partículas que ésta presente; el propio peso del agua, el
campo de fuerzas que generan en todas direcciones las superficies de los sólidos del
suelo, la fuerza que ejercen los iones disueltos en el agua y el desbalance entre éstas,
y la interface agua-aire.
2.2.2
Propiedades Químicas del Suelo
Las condiciones químicas del suelo afectan las relaciones suelo-planta, la calidad del
agua, la capacidad amortiguadora del suelo, disponibilidad de nutrientes y agua para
plantas y otros organismos, movilidad de contaminantes, entre otras condiciones.
Entre las propiedades químicas que pueden medirse y utilizarse como indicadores de
la calidad del suelo se encuentran: la medida de pH, materia orgánica, capacidad de
intercambio Catiónico, concentraciones de elementos que pueden tener un efecto
potencial contaminante (metales pesados, componentes radiactivos, entre otros) o
aquellos que son necesarios para el crecimiento y desarrollo de las plantas (SQI (Soil
Quality Indicate), 1996).
22
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2011
Tabla 2.1 Rango de variación de los contenidos de arena, limo y arcilla en las
diferentes clases texturales de suelos
Clase Textural
Porcentaje de separados (%)
Arena
Limo
Arcilla
Arenosa
100-85
15-0
10-0
Arenoso Franco
90-70
30-0
15-0
Franco Arenoso
85-43
50-0
20-0
Franco
52-23
50-32
27-7
Franco Limoso
50-0
87-50
27-0
Limoso
20-0
100-80
12-0
Franco Arcilloso
80-45
28-0
35-20
Franco Arcilloso
45-20
53-15
40-27
Franco Arcilloso
20-0
73-40
40-27
Arcilloso Arenoso
67-45
20-0
55-35
Arcilloso Limoso
20-0
60-40
60-40
Arcilloso
45-0
40-0
100-40
Arenoso
Limoso
(Fuente: Jaramillo, 2003).
23
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2.2.2.1 Materia Orgánica del suelo
La materia orgánica de los suelos está hecha de los restos de plantas y animales
presentes en el mismo. Ésta sufre degradación por medio de gusanos, los cuales
reducen el tamaño de la materia orgánica para facilitar el ataque microbiano y su total
descomposición mediante enzimas segregadas por los mismos microorganismos
presentes en el suelo. El ataque microbiano es de vital importancia ya que constituye
un proceso biológico básico en el cual la mayor parte del carbono es transformado y
liberado a la atmósfera para su reciclaje en forma de CO; de igual forma otros
elementos como el nitrógeno, fósforo, azufre y otros nutrientes presentes en la
materia orgánica que pasan a formas requeridas para su asimilación por las plantas
superiores (Anonimo, Introducción a la química de las sustancias húmicas, s.f).
2.2.2.2 Conductividad Eléctrica (CE)
Es la capacidad que tiene un medio (por lo general contiene sales inorgánicas o
electrolitos) de conducir la corriente eléctrica (Calderon Sáenz, 2002). En la mayoría
de los textos se encuentra referida a 25ºC y la medición debe ser corregida en función
de la temperatura. La conductividad eléctrica es un indicador de la cantidad de sales
presentes en el suelo, lo que se interpreta como la cantidad de nutrientes disponibles
para ser absorbidos por las plantas superiores (Salina & García, 1985).
La conductividad del suelo puede verse afectada por alteración, ya que puede
variar los niveles de pH o temperatura de los suelos y por lo tanto la solubilidad de
las especies iónicas (Acar & Alshawabkeh, 1996).
24
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
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2.2.2.3 Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC)
Roca Fernández (s.f) en su trabajo Contaminación de suelos por metales pesados,
afirma que la CIC es una función del contenido de arcilla y materia orgánica del
suelo, además de la disponibilidad de los metales en el mismo.
Los cationes más importantes en los procesos de intercambio Catiónico son Ca+2,
Mg+2, K+, Na+ y NH4+ (Jaramillo, 2002). El valor de CIC se mide en meq/ g de suelo.
El valor de CIC puede estar dado por cualquiera de estos dos mecanismos: una alta
densidad de carga por superficie de área lo que significa un alto nivel de degradación
por oxidación de la materia orgánica del suelo, y/o una alta área superficial por la
adsorción de cationes (Liang et. al, 2005).
El valor que toma la CIC está fuertemente afectado por el valor del pH. Se ha
demostrado que un aumento de CIC se debe al aumento del pH (Jaramillo, 2002). Por
ello que para la determinación de este parámetro se han estandarizado varios
métodos: a pH 8.2 (útil para suelos alcalinos), a pH 7 (adecuado para suelos con carga
permanente) y a pH del suelo (para suelos ácidos y carga variable).
2.2.2.4 Determinación de pH
El pH es una medida de la acidez o alcalinidad del suelo, también es conocido como
reacción del suelo (Anonimo, Soil Quality Indicators: pH, 1998). El pH es
generalmente el principal controlador de las concentraciones de los metales en suelos,
la solubilidad de un metal tiende a incrementar a unidades de pH bajas y disminuye al
aumentar (Brallier et. al, 1996; Wang & Qui, 2005). El pH influye en la
disponibilidad de nutrientes. También influye en la actividad de los microorganismos
25
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responsables de la descomposición de la materia orgánica y las transformaciones
química en el suelo (Anonimo, Soil Quality Indicators: pH, 1998).
2.2.3
Contaminación por metales pesados
Los metales pesados son elementos minoritarios que se encuentran en muy bajas
concentraciones y que al alcanzar altas concentraciones se vuelven tóxicos. Se
considera metal pesado, todo aquel cuya densidad sea mayor a 5 g/cm 3; la presencia
de estos metales en la corteza terrestre es inferior a 0.1% y casi siempre 0.01%, esto
según García & Dorronsoro (s.f). Junto a estos metales existen otros de menor
densidad pero de igual efecto tóxico tales como: arsénico (As), boro (B), bario (Ba) y
selenio (Se).
Los metales pesados pueden dividirse en dos grupos según García &
Dorronsoro (s.f.):

Oligoelementos: metales requeridos por los organismos para llevar a cabo sus
respectivos ciclos vitales, pero que en exceso pueden resultar tóxicos (As, B,
Co, Cr, Fe, Mo, Mn, Ni, Se y Zn).

Sin función biológica: no vitales para los organismos, y su presencia puede
causar disfunciones en el funcionamiento de los organismos (Cd, Hg, Pb, Cu,
Sb, Bi).
Los metales se encuentran en los suelos por causas naturales, pero la actividad
humana incrementa el contenido de estos mediante vertidos industriales, producción
de energía, pesticidas utilizados para la agricultura, construcciones, el uso excesivo
de vehículos, polvo y procesos de combustión (Al-Kashman & Shawabkeh, 2006).
26
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
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Los metales pesados, de acuerdo a García & Dorronsoro (s.f.), pueden seguir las
siguientes vías de desplazamiento (Figura 2.5):
o Pueden quedar retenidos en el suelo, ya sea en forma de cationes libres en la
solución del suelo o fijados por procesos de adsorción, acomplejamiento o
precipitación.
o Absorbidos por plantas y allí incorporados a las distintas cadenas tróficas.
o Pueden pasar a la atmósfera por volatilización.
o Pueden movilizarse a las aguas superficiales o subterráneas.
Figura 2.5 Dinámica de metales pesados en el sistema suelo-planta
(Fuente: Roca Fernández, s.f.)
27
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
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2011
2.2.3.1 Fuentes Antropogénicas
Se pueden distinguir dos tipos de contaminación según su origen: contaminación
endógena, proveniente de la naturaleza del material originario; y contaminación
exógena, es la de mayor impacto y deriva de las actividades antropogénicas (Roca
Fernández, s.f). Entre las principales actividades humanas que ejercen un efecto en la
concentración y movilidad de los metales pesados se encuentran:

Productos químicos agrícolas y lodos industriales

Actividades mineras y de fundición (extracción de menas, procesado
preliminar, evacuación de residuos, transporte de productos semi-procesados)

Generación de electricidad y otras actividades industriales (la combustión de
carbón, combustión de petróleo- principal fuente de plomo, níquel y vanadio)

Residuos domésticos (la basura posee alrededor de un 10% de metales
pesados)
2.2.3.2 Muestreo de Suelos
En el laboratorio se utilizan pocos gramos de suelo para interpretar las características
de varios millones de kilogramos. Por este motivo, la obtención de una muestra
representativa, se convierte en un punto crucial para lograr confiabilidad en los
análisis de suelo, que están basados en la ciencia, pero que no dejan de ser
mediciones indirectas o imperfectas (Buduba, 2004). La muestra consiste en una
mezcla de porciones de suelo (sub-muestras) tomadas al azar de un terreno
homogéneo (ICA, 1992). Una muestra de suelo se compone por varias sub-muestras
tomadas aleatoriamente en el campo (Brady & Weil, 1999). Se debe elegir algún
patrón de recorrido dentro de cada área homogénea, como se observa en la Figura 2.6.
28
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
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Como número de sub-muestras, se sugiere que para una unidad de muestreo se tomen
10-20 sub-muestras (ICA, 1992).
Figura 2.6 Diferentes patrones de recorrido para recoger sub-muestras en áreas
homogéneas
(Fuente: Buduba, 2004)
La profundidad del suelo a la cual se toma la sub-muestra es variable (Osorio,
s.f). Siempre es recomendable realizar observaciones más profundas para determinar
si existe algún factor limitante que pueda afectar a los horizontes superficiales
(Buduba, 2004).
Si se usa una pala, se puede hacer un hueco en “V” y luego tomar de una de
las paredes una porción de 10x10x3 cm para transferir a un balde limpio. Se debe
remover piedras, raíces gruesas, lombrices e insectos del suelo. Se desmenuzan las
muestras con la mano (Osorio, s.f).
Una vez obtenida la última sub-muestra, se colocan sobre una lona o plástico
limpio, se mezclan y se dividen en cuatro partes iguales, de las cuales se guarda una
para volver a repetir el cuarteo, hasta llegar a un peso final aproximado de 0.5-1 kg,
como se muestra en la Figura 2.7.
La bolsa debe sellarse, identificarse e inmediatamente llevada al laboratorio.
La muestra debe mantenerse a temperatura ambiente y no expuesta al sol.
29
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Figura 2.7 Obtención de la muestra compuesta por cuarteo a partir de todas las
sub-muestras desmenuzadas y mezcladas
(Fuente: Buduba, 2004)
2.2.4
Diseño de Experimento
Muchos experimentos fallan en un principio debido a la falta de planificación y
diseño adecuado para llevar a cabo la investigación. Es de vital importancia aclarar
una serie de términos necesarios para la comprensión del significado de diseño de
experimento:

Factor: cualquier aspecto que influye en el resultado de un experimento. Un
factor puede ser controlado si se puede manipular a voluntad, y es no
controlado o incontrolado si no puede ser manipulado a voluntad y muchas
veces debe ser elegido al azar. De igual forma existen los factores cualitativos
y cuantitativos, los primeros son aquellos cuyos valores no pueden ser
ordenados numéricamente y los segundos, son aquellos que si pueden ser
ordenados numéricamente ya que adquieren valores contables, por ejemplo, la
presión, temperatura, entre otros.

Nivel: son todos los valores posibles que puede adquirir un factor.

Bloque: grupo de resultados que contienen una medida para cada tratamiento.
30
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO

Bárbula,
2011
Análisis de varianza (ANOVA): es una potente técnica estadística que
permite separar y estimar las diferentes causas de variación.
Miller & Miller en su libro Estadística y Quimiometría para la Química Analítica
expresan que:
“El término diseño experimental se utiliza habitualmente para describir:
las etapas de identificación de los factores que puedan influir en el
resultado de un experimento, diseñar un experimento de modo que
minimicen los efectos de los factores incontrolados, y utilización del
análisis estadístico para separar y evaluar los efectos de los diversos
factores implicados”.
2.2.4.1 ANOVA de dos factores
El análisis de varianza de dos (2) o más factores se aplica cuando tienen efecto sobre
los resultados de un experimento 2 o más factores (Miller & Miller, 2002). El diseño
de este tipo se expresa en la Tabla 2.2.
Un contraste de significancia se aplica para decidir si existe o no diferencia
significativa entre una cantidad medida y una cantidad conocida (Miller & Miller,
2002). El control de parámetros que puedan alterar los resultados de un estudio es de
vital importancia, porque de lo contrario, un contraste de significancia puede arrojar
conclusiones erróneas, ya sea por los errores sistemáticos y aleatorios, e inclusive el
del experimento, lo que hacen poco probables las cantidades medidas. Por esta razón,
se deben identificar los factores extraños, y a su vez controlarlos, para así adaptar
todas las pruebas a las mismas condiciones. Esto último es el diseño de experimento,
planear el experimento en forma tal que se pueda realizar un análisis de varianza en
31
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
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2011
dos sentidos, en el cual la variación total de los datos se partiría en tres componentes:
tratamientos, factores extraños y el error del experimento o al azar (Freud & Walpole,
1989).
Tabla 2.2 Forma general de la tabla de ANOVA
Tratamiento
Totales
de filas
1
2
…
J
…
C
Bloque 1
X11
X12
…
X1j
…
X1c
T1.
Bloque 2
X21
X22
…
X2j
…
X2c
T2.
…
…
…
…
…
…
…
Bloque i
Xi1
Xi2
…
Xij
…
Xic
…
…
…
…
…
…
…
Bloque r
Xr1
Xr2
…
Xrj
…
Xrc
Tr.
Total de T.1
columnas
T.2
T.c
T=gran
total
T.j
Ti.
(Fuente: Miller & Miller, 2002)
Un diseño de experimento es una estrategia para la planificación de
experimentos de manera tal que las conclusiones relevantes sean alcanzadas en forma
eficiente y económica (Napolitano, s.f).
32
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
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2011
CAPITULO III
3 MARCO METODOLÓGICO
3.1
MÉTODO DE EJECUCIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
3.1.1
Ubicación
El siguiente proyecto de investigación se llevó a cabo en el suelo aledaño a la planta
de tratamiento de aguas de la empresa de químicos para la construcción, ubicada en la
Zona Industrial Municipal Sur. Parcela 8-1 Av. Iribarren Borges, Valencia, estado
Carabobo (Figura 3.1 y Figura 3.2).
Figura 3.1 Foto satelital de la empresa de químicos para la construcción
(Fuente: GoogleMaps, 2010)
33
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
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Figura 3.2 Zona de aplicación del estudio de suelos
(Fuente: GoogleMaps, 2010)
3.1.2
Aplicación del Diseño de experimento
El diseño de experimento aplicado posee dos variables: profundidad y distancia a la
zona de suelo regado. Toma en cuenta la profundidad, ya que existe la posibilidad de
que los metales pesados hayan descendido en el suelo debido a la acción de fuerzas
como la gravedad (García & Dorronsoro, s.f.; Roca Fernández, s.f.). La distancia a la
que se encuentran del suelo regado es aplicada con la finalidad de tomar en cuenta el
suelo que no fue regado con las aguas provenientes de la planta de tratamiento y a su
vez establecer una muestra patrón que sirva de comparación para el establecimiento
de los niveles de contaminación (Llovera, 2009). La profundidad será una variable
independiente con dos niveles (0-10 cm; y 40-50 cm), la distancia una variable
independiente de tres niveles (00, 15 y 30 m) y las variables respuestas son las
34
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concentraciones en ppm de cada uno de los metales a estudiar. El modelo del diseño
de experimento se encuentra resumido en las Tabla 3.1 y Tabla 3.2.
Tabla 3.1 Resumen del modelo de diseño de experimento aplicado
FACTORES
Profundidad
VARIABLE RESPUESTA
Distancia
Nivel
Nivel
Nivel
Nivel
Nivel
I
II
I
II
III
0-10 cm
40-50 cm
00 m
15 m
30 m
3.1.3
Concentración (ppm) de
metales Cd, Cu, Co, Cr, Ni,
Pb y Zn
Muestreo y tratamiento de las muestras de suelos
El muestreo se llevó a cabo en el área planteada dividiendo el suelo regado (muestra
problema) en cuadrícula de diez (10) sub-muestras. En el suelo no regado (muestra
patrón) se tomaron sub-muestras a 15 y 30 metros de distancia de la muestra
problema, para cada distancia se tomaron 5 sub-muestras ubicadas sobre una línea
imaginaria equidistante al suelo regado (Figura 3.3).
Las muestras fueron extraídas con una chícora limpia, y colocadas en bolsas
plásticas claramente identificadas. Luego fueron introducidas en una nevera para
evitar la pérdida de humedad y garantizar la factibilidad de la investigación.
Las sub-muestras fueron colocadas sobre una lona o plástico limpio,
mezcladas y divididas en cuatro partes. Una de las cuatro fue evaluada y las demás
guardadas.
35
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
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2011
Tabla 3.2 Cantidad de Experimentos realizados
Factores
Bloques
Experimentos
Profundidad (cm)
Distancia (m)
1
0-10
00
1
1
40-50
00
2
1
0-10
15
3
1
40-50
15
4
1
0-10
30
5
1
40-50
30
6
2
0-10
00
7
2
40-50
00
8
2
0-10
15
9
2
40-50
15
10
2
0-10
30
11
2
40-50
30
12
3
0-10
00
13
3
40-50
00
14
3
0-10
15
15
3
40-50
15
16
3
0-10
30
17
3
40-50
30
18
Las muestras fueron secadas al aire por 72 horas, molidas y pasadas a través
de un tamiz de 2 mm. Las muestras fueron almacenadas en recipientes de vidrio con
tapa a temperatura ambiente.
36
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
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2011
Figura 3.3 Diseño de muestreo aplicado
3.1.4
Caracterización de las muestras
A las muestras se les determinaron parámetros físico-químicos (textura, pH,
conductividad eléctrica, contenido de humedad, carbono orgánico total, Capacidad de
Intercambio Catiónico) de acuerdo a las metodologías resumidas en la Tabla 3.3.
37
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2011
Tabla 3.3 Resumen de metodologías aplicadas para la caracterización de los
suelos
Parámetro
Método
Técnica
Referencia
pH
Suelo: Agua 1:2
Potenciometría
Olarte, 1979
Suelo: KCl 1N 1:2
Conductividad
1 suelo: 2.5 agua
Conductimetría
Jackson, 1970
Carbono
Orgánico
Walkley-Black
modificado
Espectrofotometría
600 nm
Walinga et. al,
1992
CIC
NH4OAc 1N a
Extracción y
alcalimetría
Schollenberger &
Simon, 1945
pH 7
Textura
Al Tacto
Humedad
Relativa
10 g muestra.
T=105 ºC. 24 horas
Brown, 2003
Gravimetría
Jackson, 1970
Fuente: Laboratorio de Investigaciones Bioquímicas, FACYT-UC, 2010
3.1.5
Determinación de Metales Totales
Para la determinación de los metales pesados presentes en las muestras de suelos
regados y no regados por las aguas provenientes del tratamiento de aguas del año
2005, actividad realizada en la empresa de químicos para la construcción, se empleó
la metodología referenciada en el manual práctico de métodos de análisis químico
agrícola Faithfull, 2005:

Extracción de metales totales: Se pesaron 1,2 g de cada muestra de suelo
secado al aire (por triplicado), luego se colocó la muestra en un tubo de vidrio de
borosilicato. Se le añadió 15 ml del acido para la digestión (HNO3 - HCl - Agua) en
38
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
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Bárbula,
2011
relación 2:1:1, se agitó cuidadosamente para impregnar la muestra y se dejó reposar
toda una noche.
Se colocaron los tubos en un bloque digestor (ver ¡Error! No se encuentra el
rigen de la referencia.) y se elevó la temperatura a 50 °C, manteniéndola constante
durante 30 minutos. Posteriormente; se aumentó hasta 120°C y se llevó a digestión
durante 3 horas. Se enfrió la solución, y se completó el volumen hasta
aproximadamente 60 ml con el reactivo de HNO3 al 8,75 % – KCl al 2%. Se filtró por
gravedad con papel tipo Whatman 41.
Figura 3.4 Bloque digestor marca Velp Scientifica DK6 con rampa de
calentamiento
(Fuente: Laboratorio de PHD, FACYT – UC, 2010)

Determinación: para la evaluación de los metales se empleó el método de
estándar externo (curva de calibración) preparando soluciones madres de mil
mililitros (1000 ml) de cada elemento (Cu, Cr, Co, Cd, Ni, Pb y Zn) que se
determinaron en el laboratorio de análisis instrumental ubicado en el edificio de
química de la Facultad de Ciencias y Tecnologías (FACYT) en la Universidad de
Carabobo (UC).
39
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Seguidamente se llevó a cabo la preparación de los patrones partiendo de la
solución madre de cada metal. Los patrones empleados para la determinación de
metales totales se diluyeron con el reactivo de HNO3 al 8,75 % – KCl al 2% hasta
completar el volumen deseado.
La cuantificación de metales tanto en patrones como en muestras se realizó
por la técnica de absorción atómica haciendo uso del instrumento Espectrómetro de
Absorción Atómica a la llama GBC AVANTA 932 AA.
3.1.6

Análisis Estadístico de Resultados
Comprobar la factibilidad de la aplicación del diseño de experimento, para
ello se hará uso del programa STATGRAPHICS plus 5.1.

Presentar los resultados en una tabla resumiendo los resultados de
concentración de metales obtenidos tanto en el suelo regado como en el suelo
no regado, junto con los límites establecidos por la Ley. También se reportó
una tabla con los parámetros físico-químicos del suelo regado.
40
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
CAPITULO IV
4 RESULTADOS
El análisis de metales pesados en las muestras de suelos aledañas a la planta de
tratamiento de la empresa de químicos para la construcción comenzó con la toma de
las sub-muestras correspondientes a las distancias y profundidades establecidas y la
posterior mezcla para formar las respectivas muestras de estudio (ver Tabla 4.1 y
Figura 4.1).
Tabla 4.1 Identificación de las muestras
4.1
Muestras
Sub-muestras
Profundidad (cm)
Distancia (m)
I
1 a 10
0-10
00
II
1 a 10
40-50
00
III
11 a 15
0-10
15
IV
11 a 15
40-50
15
V
16 a 20
0-10
30
VI
16 a 20
40-50
30
CARACTERIZACIÓN DE LAS MUESTRAS
Los suelos aledaños a la planta de tratamiento de aguas de la empresa de químicos
para la construcción presentaron una textura franca arenosa arcillosa, por lo que su
contenido de arena y arcilla es mayor que el limo, y posee características cohesivas
que indica una buena capacidad de retención de humedad (Brown, 2003).
41
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Figura 4.1 Identificación del muestreo
Los parámetros fisicoquímicos de las muestras de suelo se encuentran
resumidos en la Tabla 4.2. La humedad varía con la distancia, siendo las muestras
encontradas a 00m (muestras I y II) las que presentan mayor contenido de humedad;
esto se puede deber a la posibilidad de un riego a ciertos períodos de tiempo ya que
en esta zona se encuentran plantas sembradas. Las muestras de suelo fueron tomadas
en época de sequía, de manera que los valores de humedad son bajos. Los porcentajes
de humedad de estos suelos son similares a los valores de humedad obtenidos en el
suelo estudiado por Noguera & Armado (2010).
42
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Tabla 4.2 Caracterización de las muestras
Propiedad\Muestra
I
II
III
IV
V
VI
8,2±0,2
7,9±0,2
7,49±0,09
6,20±0,03
6,29±0,04
6,31±0,06
1:2 H2O
7,0±0,1
4,83±0,06
6,2±0,1
5,8±0,2
6,4±0,1
7,1±0,1
1:1 H2O
6,6±0,3
4,81±0,02
6,00±0,1
5,7±0,2
6,64±0,05
7,17±0,06
1:2 KCl
6,64±0,02
4,8±0,2
5,42±0,06
4,73±0,05
5,8±0,2
5,76±0,06
Conductividad (µs)
0,23±0,06
1,4±0,1
0,14±0,04
0,30±0,01
0,15±0,02
0,27±0,03
C total (%)
2,3±0,2
0,44±0,06
2,4±0,3
0,34±0,01
2,2±0,2
0,23±0,04
Ca
6,8±0,1
4,2±0,3
3,8±0,1
2,32±0,02
3,6±0,4
2,4±0,4
Mg
0,6±0,2
0,4±0,3
1,5±0,1
0,01±0,08
1,0±0,8
0,4±0,3
Na
0,4±0,1
1,483±0,004
0,22±0,03
1,32±0,01
0,14±0,04
1,31±0,03
K
0,30±0,02
0,17±0,09
0,22±0,01
0,106±0,003
0,32±0,01
0,15±0,01
31,2±0,5
21±3
42±13
22±4
45±1
20,5±0,9
Humedad
(%)
pH
Bases
Intercambiables
(cmol.Kg-1)
CIC
(cmol.Kg-1)
Con respecto al pH, la superficie (muestras de 0-10 cm) presenta un pH
neutro haciéndose ligeramente ácido a medida que aumenta la distancia, esto de
acuerdo a la clasificación dada por la USDA (1998); mientras que a mayor
profundidad (muestras de 40-50 cm) el pH es muy fuertemente ácido para la muestra
II y va aumentando a medida que aumenta la distancia, siendo la muestra IV
moderadamente ácido y la muestra VI neutra, según clasificación USDA, (1998).
Prado et. al (2007) en sus resultados, reportan que la cantidad de materia orgánica así
como la disociación de protones por parte de aluminosilicatos no cristalinos pueden
afectar la acidez del suelo. También Nanzyo et. al (1993) señalan que la acidez en
suelos alofénicos pobres en materia orgánica puede ser atribuida a la cantidad de
aluminosilicatos. Basado en esto, el bajo valor de pH a profundidades de 40 a 50 cm
ser relacionada con la CIC (Jaramillo, 2002), específicamente con la presencia de
aluminosilicatos.
43
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
La CIC es alta para todas las muestras, siendo las de menor profundidad
(0-10 cm) las que poseen mayor capacidad de intercambio (un promedio de 39
cmol.Kg-1). Jaramillo (2002) comenta que la CIC es la resultante de la cantidad y tipo
de colides que pueda tener el suelo, es decir, la suma de la CIC de la arcilla con la
CIC de la materia orgánica. Al momento de la recolección de las muestras de suelo,
se notó que las correspondientes a 15m y 30m poseían una especie de relleno en la
zona superficial; dicho relleno puede contener un tipo de arcilla distinto al encontrado
en el suelo a 00m lo que le confiere una mayor CIC al suelo control.
Las bases intercambiables Ca+2 y Na+ son siempre las más abundantes y
más móviles en los suelos (Prado et. al, 2007). Tal como se aprecia en la Tabla 4.2,
las concentraciones de estos dos elementos son las mayores, siendo la muestra I la de
mayor contenido de Ca+2 y la muestra II la de mayor contenido de Na +. Este hecho,
posiblemente se debe al impacto del riego con las aguas provenientes de la planta de
tratamiento de aguas de la empresa de químicos para la construción sobre el área de
suelo estudiada.
4.2
DETERMINACIÓN DE METALES PESADOS
Se determinó el contenido de los siguientes metales pesados (por digestión ácida):
Cd, Zn, Co, Cu, Cr, Ni y Pb; de las muestras de suelos de la empresa de químicos
para la construcción. El intervalo de concentración de lectura del equipo y el límite de
detección mínimo calculado (LOD, por sus siglas en inglés) se encuentran dados en la
Tabla 4.3.
Miller & Miller (2002) en su libro, mencionan que debido a la capacidad
de ciertos intrumentos de detectar y determinar cantidades trazas y ultratrazas, es
evidente que los métodos estadísticos resultan importantes para la evaluación y
comparación de límites de detección. El límite de detección o LOD de un analito es
44
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
definido por Miller & Miller (2002) como la concentración de analito que
proporciona una señal igual a la señal del blanco, yb, más tres veces la desviación
estándar del blanco, sb:
(Miller & Miller, 2002)
Tabla 4.3 Intervalo de concentración de trabajo del equipo para cada metal y
límite de detección mínimo calculado
Metal
Longitud de onda
Intervalo de
LOD* (µg)
(nm)
Trabajo (mg)
Ni
232,0
0,005-0,16
5
Cu
327,4
0,0004-0,21
0,4
Cd
228,8
0,0001-0,1
0,1
Zn
213,9
0,0005-0,035
0,5
Pb
244,8
0,001-0,8
1
Co
240,7
0,001-0,45
1
Cr
357,9
0,05-0,6
50
*: LOD= yb+3sb (Miller & Miller, 2002)
Los valores de los metales pesados en el suelo están resumidos en la
Tabla 4.4. El contenido de los metales Cd, Co y Cr se encuentra por debajo del LOD
de cada uno de ellos en los suelos estudiados, indicando así que la actividad de riego
del suelo con las aguas provenientes de la planta de tratamiento de aguas de la
empresa no impacto al suelo con estos metales. De manera similar ocurrió con el Ni,
45
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
donde no se detectó su presencia en la mayoría de las muestras de suelo, aunque la
muestra VI presentó un contenido de este metal en una concentración de 5,66±0,01
ppm. Esto puede indicar que el relleno que se encuentra sobre este suelo puede influir
en la cantidad de níquel presente.
Tabla 4.4 Contenido de metales totales en las muestras de suelo de la empresa de
químicos para la Construcción
Bloque
1
2
3
Co*
Cr*
825,9429
Cd*
N.D
N.D
N.D
20,9193
895,0132
N.D
N.D
N.D
8,5358
29,7889
982,8959
N.D
N.D
N.D
N.D
2,8225
6,1111
171,2573
N.D
N.D
N.D
IV
N.D
0,5823
4,6538
169,3717
N.D
N.D
N.D
VI
N.D
4,4156
170,4951
N.D
N.D
N.D
I
5,6694
N.D
12,5377
16,4599
1046,2172
N.D
N.D
N.D
III
N.D
9,2588
20,7193
1040,4583
N.D
N.D
N.D
V
9,1984
31,0099
1081,5908
N.D
N.D
N.D
II
--N.D
1,8694
5,5288
171,6422
N.D
N.D
N.D
IV
N.D
0,2679
---
170,1454
N.D
N.D
---
VI
---
2,1676
3,2748
169,9436
N.D
N.D
---
I
11,5406
16,1463
898,4780
N.D
N.D
N.D
III
N.D
N.D
9,2511
19,7784
895,0132
N.D
N.D
N.D
V
N.D
10,7992
29,7848
938,3807
N.D
N.D
N.D
II
N.D
2,1834
4,7036
171,1863
N.D
N.D
N.D
IV
N.D
0,2667
3,3178
169,3997
N.D
N.D
N.D
VI
5,6510
N.D
3,4893
169,9436
N.D
N.D
N.D
Muestra
Ni*
Cu*
Zn*
Pb*
I
12,8829
16,5982
III
N.D
N.D
12,1376
V
N.D
II
N.D: No Detectable, absorbancia menor a LOD. *: Concentración en ppm. ---: Valor estadístico anómalo
Haciendo uso del programa de estadística STATGRAPHICS plus 5.1, se
analizaron los valores presentados en la Tabla 4.4 para estudiar la distribución
46
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
espacial de los metales pesados Zn, Pb y Cu en el suelo de la empresa de químicos
para la construcción. Los metales Ni, Co, Cr y Cd fueron previamente descartados de
este análisis debido a la ausencia de los mismos en el suelo.
Se realizó un diseño multinivel factorial de dos factores experimentales
de 3 bloques, 18 ejecuciones y 11 grados de libertad.
El modelo del diseño tiene R2 del 97,2072% de la variabilidad del Cu. El
valor R2 ajustado, el cual es el más adecuado para la comparación de números
diferentes de variables independientes, es 96,3479%. De acuerdo con Gutiérrez et. al
(2008), el porcentaje mínimo de aceptación y calidad de un diseño de experimento
debe de ser de un 70%, por lo que las variables independientes seleccionadas influyen
en la distribución del Cu.
El gráfico de Pareto permite visualizar de forma más sencilla la influencia
de las variables independientes sobre las variables respuestas. En la Figura 4.2 y
Figura 4.3 se muestran los efectos principales para el Cu, notándose que los factores
profundidad y distancia influyen de forma negativa en la distribución del Cu en el
suelo para un intervalo de confianza de 95%, es decir, que a las distancia 00m y
profundidad 0-10 cm (muestra I) existe una mayor concentración de metal Cu en el
suelo y a medida que la distancia y profundidad del suelo aumenten, la concentración
de Cu disminuye. Esta distribución se puede apreciar también en la Figura 4.4. Como
se puede ver, la mayor concentración se sitúa en la superficie del área de suelo que
fue regada con las aguas provenientes del tratamiento, por lo que dicha actividad
generó un impacto en la concentración del Cu.
También se puede notar que el Cu se encuentra en menor concentración a
las profundidades de 40-50 cm, lo que indica que el Cu es un metal de poca
movilidad.
47
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Gráfico de Pareto estandarizado para Cu
+
-
B:Profundidad
A:Distancia
AA
AB
0
4
8
12
16
20
Efectos estandarizados
Figura 4.2 Gráfico de Pareto estandarizado para Cu
Fuente: STATGRAPHICS plus 5.1. Resultado de análisis
Gráfico de la interacción para Cu
15
Profundidad=0,0
12
Profundidad=0,0
-1
Cu
mg.kg
9
6
3
Profundidad=40,0
Profundidad=40,0
0
0,0
30,0
Distancia
Figura 4.3 Gráfico de Interacciones de Cu
Fuente: STATGRAPHICS plus 5.1. Resultado de análisis
Para el metal Zn, el modelo del diseño tiene un tiene un R2 del 99,6169% de la
variabilidad del Zn. El valor R2 ajustado, el cual es el más adecuado para la
comparación de números diferentes de variables independientes, es 99,4893%.
48
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Superficie de Respuesta estimada
Cu
mg.kg-1
15
12
9
6
3
0
0
10
20
Profundidad
30
40 30 25
10
20 15
5 0
Distancia
Figura 4.4 Superficie Respuesta. Distribución de Cu en el suelo
Fuente: STATGRAPHICS plus 5.1. Resultado de análisis
Las dos variables independientes (profundidad y distancia) y además, la
interacción entre ambas, influyen en la variación de la concentración de Zn en el
suelo con un intervalo de confianza del 95%. Tal como se ve en las Figura 4.5 y
Figura 4.6, La profundidad influye negativamente en la variación de la concentración
de Zn, mientras que la distancia influye de manera positiva, lo que indica que a menor
profundidad hay menor cantidad de Zn pero a mayor distancia, esta aumenta.
Al ver la Figura 4.7, notamos que la mayor concentración de Zn se encuentra
a la distancia de 30m y profundidad 0-10 cm (muestra V). Tal como se mencionó en
páginas anteriores, el relleno que posee el terreno a esa distancia influye en la
concentración, quizá el tipo de arcilla que en esta área se encuentra tenga gran
afinidad por el metal Zn, que a su vez va de la mano con la CIC. De manera similar al
Cu, la menor concentración del metal Zn se encuentra a bajas profundidades.
49
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Gráfico de Pareto estandarizado para Zn
+
-
B:Profundidad
AB
A:Distancia
AA
0
10
20
30
40
50
Efectos estandarizados
Figura 4.5 Gráfico de Pareto estandarizado para Zn
Fuente: STATGRAPHICS plus 5.1. Resultado de análisis
Gráfico de la interacción para Zn
30
Profundidad=0,0
25
Zn
mg.kg-1
20
15
10
Profundidad=0,0
Profundidad=40,0
Profundidad=40,0
5
0
0,0
30,0
Distancia
Figura 4.6 Gráfico de interacción para Zn
Fuente: STATGRAPHICS plus 5.1. Resultado de análisis
Para el metal Pb, el modelo del diseño tiene un tiene un R2 del 99,3087% de la
variabilidad del Pb. El valor R2 ajustado, el cual es el más adecuado para la
comparación de números diferentes de variables independientes, es 99,0783%. Por lo
tanto, es un modelo confiable (Gutiérrez et.al, 2008).
50
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Superficie de Respuesta estimada
Zn
mg.kg-1
30
25
20
15
10
5
00
10
20
Profundidad
30
40 25
30
10
20 15
5 0
Distancia
Figura 4.7 Superficie respuesta. Distribución de Zn en el suelo
Fuente: STATGRAPHICS plus 5.1. Resultado de análisis
Se puede notar en la Figura 4.8 que la profundidad es el factor que más
influye en la variación de la concentración de Pb en el suelo de manera negativa, lo
que implica, que a mayor profundidad de suelo, menor concentración de Pb. Esta
observación se ve apoyada por la Figura 4.9, donde claramente se aprecia, que a
profundidades de 40 cm se tienen las menores concentraciones del metal. Al igual
que el metal Zn, las concentraciones de Pb aumentan ligeramente en la superficie del
suelo a medida que la distancia aumenta, por lo que el relleno agregado a este suelo
tiempo atrás, pudo haber contenido una cantidad de metales mayor a la del suelo
original.
La distribución del metal Pb se encuentra ilustrada en la Figura 4.10, se puede
apreciar como desciende drásticamente el contenido de metal Pb a medida que se
desciende en la profundidad. Estos resultados aunado con lo argumentado por García
& Dorronsoro (s.f) en su informe Contaminación Por Metales Pesados, demuestra
que los metales pesados se sitúan en la superficie del suelo, haciendose más
disponibles a la absorción por plantas superiores.
51
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Gráfico de Pareto estandarizado para Pb
+
-
B:Profundidad
AA
AB
A:Distancia
0
10
20
30
40
Efectos estandarizados
Figura 4.8 Gráfico de Pareto para Pb
Fuente: STATGRAPHICS plus 5.1. Resultado de análisis
Estos valores presentados, al igual que los mostrados por Imperato et.al (2003)
muestran que la concentración de los metales pesados Cu, Zn y Pb disminuye con la
profundidad. Imperato et.al (2003) en su estudio, argumenta que la presencia de metal
Pb puede ser atribuido a la deposición del metal en la superficie del suelo que
proviene de la combustión de los automóviles de las zonas urbanas aledañas. Cerca
del suelo estudiado se encuentra el almacen de la empresa de químicos para la
construcción, donde continuamente hay circulación de montacargas y camiones.
Gráfico de la interacción para Pb
1000
Profundidad=0,0
Profundidad=0,0
800
-1
Pb
mg.kg
600
400
200
Profundidad=40,0
Profundidad=40,0
0
0,0
30,0
Distancia
Figura 4.9 Gráfico de interacción para Pb
Fuente: STATGRAPHICS plus 5.1. Resultado de análisis
52
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Superficie de Respuesta estimada
Pb
mg.kg-1
1000
800
600
400
200
00
10
20
Profundidad
30
40 25 20
30
5 0
10
15
Distancia
Figura 4.10 Superficie Respuesta. Distribución de Pb en el suelo
Fuente: STATGRAPHICS plus 5.1. Resultado de análisis
4.3
CORRELACIÓN DE LOS METALES PESADOS CON LOS
PARÁMETROS FISICOQUÍMICOS
Con respecto a la relación de la presencia de metales pesados con los parámetros
fisicoquímicos estudiados, se realizó un análisis estadístico para determinar si existe o
no una correlación estadisticamente significativa.
Los valores de la Tabla 4.5, demuestran que no existe una relación
estadísticamente significativa entre metal-pH ya que el p-valor resultante del análisis
de varianza (ANOVA) es mayor a 0,1. De igual forma se puede apreciar la relación
relativamente débil que existe entre las variables al ver los valores de R 2 ajustado, los
cuales resultaron ser muy bajos.
Los valores presentados en la Tabla 4.6 demuestran que si existe una
relación estadísticamente significativa entre metal-conductividad ya que el p-valor
53
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
resultante del ANOVA es menor a 0,1. La relación metal-conductividad se puede
apreciar en la Figura 4.11, resultando que a menor concentración de metal, mayor
conductividad.
Tabla 4.5 Análisis de regresión lineal para describir la relación metal-pH a un
intervalo de confianza del 90%
R2 ajustado p-valor
Metal
Ecuación
Cu
Cu = -8,7561 +2,3608*pH
8,0206
0,1347
Zn
Zn = -0,6853 +2,5808*pH
-2,9492
0,4842
Pb
Pb = -556,581+176,982*pH
6,3281
0,1697
Fuente: STATGRAPHICS plus 5.1. Resultado de análisis
Tabla 4.6 Análisis de regresión lineal para describir la relación metal-CE a un
intervalo de confianza del 90%
R2 ajustado p-valor
Metal
Ecuación
Cu
Cu= 7,81512 -4,6572*CE
11,6535
0,0906
Zn
Zn = 20,2069 -11,8629*CE
16,2309
0,0548
Pb
Pb = 732,527-468,219*CE
23,9619
0,0266
Fuente: STATGRAPHICS plus 5.1. Resultado de análisis
54
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Figura 4.11 Gráfico de modelo ajustado metal-CE
Fuente: STATGRAPHICS plus 5.1. Resultado de análisis
Los valores presentados en la Tabla 4.7 demuestran que no existe una relación
estadísticamente significativa entre metal-Carbono ya que el p-valor resultante del
ANOVA es mayor a 0,1. De igual forma los valores de los R 2 resultaron ser muy
bajos. De acuerdo a König et. al (1986), Schlinker & Brümmer (1991), Bourg &
Darmendrail (1992), Del Castilho et. al (1995) y Holm et. al (1995) la cantidad de
materia orgánica influye en la concentración de elementos como Zn y Cd, pero
Kalbitz & Wennrich (1998) establecen que la baja estabilidad de los complejos de Zn
y Cd con la materia orgánica soluble del suelo puede ser la razón por la que no se
establezca una relación metal-carbono. Por lo tanto, se justifica que el bajo contenido
de carbono de las muestras no tenga relación con la concentración de los metales.
En la Tabla 4.8 se encuentran los resultados del estudio de la correlación
de los metales con la CIC, demostrándose que si existe una relación estadísticamente
significativa ya que los p-valores resultantes del ANOVA resultaron menores a los
teóricos (0,01 para Cu y Pb; 0,05 para Zn), siendo moderadamente fuerte la
correlación de las variables.
55
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Tabla 4.7 Análisis de regresión lineal para describir la relación metal-Carbono
orgánico total a un intervalo de confianza del 90%
R2 ajustado p-valor
Metal
Ecuación
Cu
Cu = -8,756 +2,3607*%C
8,0206
0,1347
Zn
Zn = -0,6854 +2,5808*%C
-2,9492
0,4842
Pb
Pb = -556,581+176,982*%C
6,3281
0,1697
Fuente: STATGRAPHICS plus 5.1. Resultado de análisis
Tabla 4.8 Análisis de regresión lineal para describir la relación metal-CIC
R2 ajustado p-valor
Metal
Ecuación
Cu*
Cu = -3,5665 + 0,3093*CIC
44,6403
0,0015
Zn**
Zn = -2,5984 +0,5859*CIC
29,0855
0,0122
Pb*
Pb = -367,473+29,5052*CIC
72,771
0.0000
*Intervalo de Confianza 99%. **Intervalo de Confianza 95%
Fuente: STATGRAPHICS plus 5.1. Resultado de análisis
En la Figura 4.12 se muestra el gráfico de la correlación metal-CIC. De
acuerdo a Jaramillo (2002), la CIC es una medida indirecta de la cantidad de metales
presentes en la solución del suelo. Además los resultados obtenidos por Montenegro
56
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
et. al (2009), los cuales estan soportados por Greger (1999), el contenido de metales
pesados en la solución del suelo depende principalmente de la CIC y contenidos de
arcilla.
Figura 4.12 Gráfico del modelo ajustado metal-CIC
Fuente: STATGRAPHICS plus 5.1. Resultado de análisis
4.4
DETERMINACIÓN DE LA TOXICIDAD DE LAS MUESTRAS DE
SUELOS ESTUDIADOS SEGÚN SU CONTENIDO DE METALES
Según Sánchez (2003), el contenido de metales totales en el suelo es un parámetro
utilizado en la implantación de los niveles de fondo y niveles de referencia según la
zona que se quiera estudiar. Cada país posee concentraciones máximas permisibles
para algunos metales presentes. En el caso de Venezuela, no existe un decreto que
regule los niveles de contaminantes en el suelo, pero si una norma que regula las
concentraciones de desechos a desalojar sobre los suelo, por lo que se comparan los
valores de contaminantes con lo establecido en el Decreto 2635 “Normas para el
control de la recuperación de materiales peligrosos y el manejo de los desechos
57
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
peligrosos” (Gaceta Oficial Extraordinaria Nº 5245, 1998). De igual manera se
utilizará como referencia los valores propuestos para elementos trazas en suelos del
Real Decreto de España Nº 9.
En la Tabla 4.9 se presentan las concentraciones medias de los metales pesados
estudiados junto a los parámetros establecidos por el Decreto 2635 y el Real Decreto
de España.
Tal como se puede apreciar en la Tabla 4.9 los valores de los metales Zn, Cu, Cd
y Ni se encuentran por debajo de lo establecido en la Gaceta Oficial Extraordinaria
N° 5245 y el Real Decreto de España Nº 9; mientras que el Pb se encuentra por
encima de los establecido en ambas normativas para todas las muestras.
Estos valores demuestran que la intervención por parte del Ministerio del
Ambiente en el año 2005 al detener la actividad de riego con agua proveniente de la
planta de tratamiento de aguas de la empresa de químicos para la construcción fue
pertinente, y evitó así un mayor impacto por metales pesados en el suelo.
Al revisar los valores de plomo que contenían las aguas residuales posttratamiento del año 2005, ver Anexo 6.1 y Anexo 6.2, notamos que el contenido de
plomo se encontraba por debajo de los establecido en la Gaceta Oficial Extraordinaria
Nº 5305, al igual que los demás metales, por lo que la alta concentración encontrada
en las muestras de suelo se debe a: acumulación del metal proveniente de las aguas de
riego y de fuentes antropogénicas diferentes a la primera, tales como, relleno aplicado
en el suelo y combustión de camiones.
De acuerdo a todo lo discutido anteriormente, el riego realizado sobre el suelo
aledaño a la planta de tratamiento con aguas provenientes de la misma, no causó
contaminación por metales pesados, aunque se demostró que existe la presencia de
Cu, Zn y Pb; la presencia de los mismos puede provenir de fuentes antropogénicas
tales como: riego, combustión de automóviles y relleno aplicado en el suelo.
58
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
Tabla 4.9 Concentración media de metales pesados y valores permisibles por la
Gaceta Oficial del 3 de enero de 1998 de la Republica Bolivariana de Venezuela
y el Real Decreto de España Nº 9
Muestras (mg.kg-1)
15 m
0-10 cm
40-50 cm
0-10 cm
40-50 cm
0-10 cm
40-50 cm
Cadmio
Cromo
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
Gaceta
Oficial de
5245 (mg
Kg-1)
8
300
Zinc
16,4±0.2
5.4±0.7
20.5±0.6
4.0±0.9
30.2±0.7
3.7±0.6
300
< 200
< 300
Plomo
862±51
171,4±943
943±84
169,6±0,4
960±31
170,1±0,3
150
< 100
< 200
00 m
Metales
30 m
Real decreto Nº 9.
Andalucía-España
(mg Kg-1)
<pH 7
>pH7
<2
<3
< 100
Cobalto
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
---
< 20
< 50
Cobre
12.3±0.7
2.3±0.5
10±1
0.4±0.2
10±1
0.7±1.3
---
< 50
<100
Níquel
N.D
N.D
N.D
N.D
N.D
5.66±0.01
---
< 40
< 50
59
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
CAPITULO V
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
1. Las muestras de suelo aledañas a la planta de tratamiento de aguas residuales
de la empresa de químicos para la construcción tienen una textura franca
arenosa arcillosa.
2. La acidez del suelo está relacionada con la CIC que las muestras presentan.
3. La alta CIC de las muestras localizadas a la profundidad de 0-10 cm y 15 y
30m poseen un relleno que puede contener un tipo de arcilla distinto al
encontrado a la distancia 00 m.
4. El alto contenido de Ca+2 y Na+ en las muestras ubicadas a la distancia 00 m,
en comparación a las demás, se debe a la actividad de riego realizada sobre el
suelo en el año 2005.
5. La concentración de los metales Cd, Co, Cr y Ni se encuentran por debajo del
límite de detección de cada uno de ellos, por lo que el modelo de análisis de
diseño de experimento solo se aplicó para los metales Zn, Cu y Pb.
6. El relleno ubicado en las muestras de suelo pudo influir en la concentración de
Ni a la distancia de 30 m y profundidad 40-50cm.
7. En el modelo de diseño de experimento aplicado, los valores de R 2 ajustado
para los metales Cu, Zn y Pb son mayores al 96% por lo que tiene un nivel
alto de confiabilidad.
8. El factor profundidad es la variable independiente de mayor influencia en el
sistema, arrojando valores de concentración menores a medida que aumenta la
profundidad.
60
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
9. La distancia influye de forma negativa en la distribución del Cu,
disminuyendo su concentración a medida que la variable distancia aumenta.
10. La distancia influye de forma positiva en la distribución del Zn, aumentando
su concentración a medida que la variable distancia aumenta.
11. El modelo de análisis realizado muestra que no existe una relación
estadísticamente significativa entre la presencia de metales y los parámetros
fisicoquímicos del suelo, pH y carbono orgánico total.
12. El modelo de análisis realizado muestra que si existe una relación
estadísticamente significativa entre la presencia de metales y los parámetros
fisicoquímicos del suelo, conductividad eléctrica (CE) y capacidad de
intercambio Catiónico (CIC).
13. El contenido de los metales Cd, Zn, Co, Cu, Cr y Ni en el suelo estudiado se
encuentran por debajo de los establecidos en la Gaceta Oficial Extraordinaria
Nº 5245 y el Real Decreto de España.
14. El contenido del metal Pb en el suelo estudiado, se encuentra por encima de
los valores permitidos por la Gaceta Oficial Extraordinaria Nº 5245 y el Real
Decreto de España Nº 9.
15. El riego realizado con aguas provenientes de la planta de tratamiento de aguas
residuales de la empresa de químicos para la construcción no causó
contaminación por metales pesados.
16. El contenido de los metales Cu, Zn y Pb en el suelo proviene de fuentes
antropogénicas tales como: riego, combustión de automóviles y relleno
aplicado en el suelo.
61
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
Bárbula,
2011
RECOMENDACIONES

La comparación del contenido de metales en suelos se realiza con respecto al
Decreto 2635 “Normas para el control de la recuperación de materiales
peligrosos y el manejo de los desechos peligrosos” de la Gaceta Oficial
Extraordinaria Nº 5245 de la República Bolivariana de Venezuela, por lo que
se debe crear un decreto que establezca límites permisibles de elementos
trazas en suelos.

Llevar a cabo una técnica que permita reducir los nivele de Pb en los suelos
estudiados de la empresa de químicos para la construcción.
62
EVALUACIÓN DE METALES PESADOS EN SUELOS REGADOS CON AGUA
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ANEXOS
Anexo 6.1 Informe de la composición de las aguas residuales de la empresa de
químicos para la construcción del año 2005. Parte 1
63
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PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
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Anexo 6.2 Informe de la composición de las aguas residuales de la empresa de
químicos para la construcción del año 2005. Parte 2
64
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PROVENIENTE DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO
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